NGMS 2018-03-09T11:32:02+00:00

Project Description

Adquisición de un espectrómetro NGMS para el fortalecimiento de la I+D en el campo de la geotermia, recursos hídricos subterráneos y volcanología mediante el uso y la aplicación de isótopos estables de gases nobles

Datos

Acrónimo: NGMS (Ref: AIDL13-3E-2476)
Socios: Agencia Insular de Energía de Tenerife (AIET),

Concedido: 2014
Financiación: Subprograma Estatal de Infraestructuras Científicas y Técnicas (Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016). Ministerio de Economía y Competitividad

Resumen del proyecto

Este proyecto consiste en la adquisición de un espectrómetro de masas de gases nobles (en adelante NGMS, Noble Gas Mass Spectrometer). El NGMS es un espectrómetro de sector magnético que se utiliza para el análisis de la composición isotópica de pequeñas muestras de gases nobles (He, Ne, Ar, Kr y Xe). Este sistema es capaz de analizar todos los isótopos de gases nobles, pero en particular, es adecuado para la medida simultánea de los dos isótopos de helio de masas 3 y 4 (3He y 4He).

Ámbito geográfico

Islas Canarias

OBJETIVO GENERAL

Mejorar las capacidades de I+D+i de AIET, así como de otras entidades colaboradoras, en el campo de la exploración geotérmica, el estudio de los recursos hídricos subterráneos y la reducción del riesgo volcánico, disponiendo de un NGMS en la única zona volcánicamente activa de España (Islas Canarias).

La aplicación de la geoquímica isotópica de los gases nobles tiene multitud de aplicaciones científicas, por lo que este equipamiento científico proporciona un avance significativo en las investigaciones relacionadas con los campos antes mencionados. El uso de esta instrumentación permitirá la apertura de múltiples nuevas líneas de investigación entre las que se encuentran las siguientes:

la atmósfera por los vertederos de Canarias.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  • Estudios de flujo de calor en exploración geotérmica de alta entalpía

  • Investigaciones en recursos hídricos subterráneos mediante geoquímica isotópica de gases nobles

  • Geoquímica isotópica de gases nobles en volcanología

Principales componentes del NGMS:

1) Fuente de iones de tipo “Nier”, diseñada para un desmontaje sencillo, fácil cambio del filamento y limpieza.

2) Electroimán montado sobre rodamientos de rodillos y con ajuste rotacional y traslacional en los tres planos para optimizar la forma y la planitud de los picos. La cara del polo de salida para cada colector se puede rotar de manera independiente para un ajuste fino de la longitud focal de cada detector.

3) Sistemas de Control Electrónico, que cuenta con los siguientes componentes: (i) electrónica de la fuente, controlada desde un ordenador, (ii) recogida de datos para los detectores de Faraday y multiplicadores de electrones y (iii) el control del imán.

4) Sistema de Vacío, diseñado para obtener verdaderas prestaciones de ultra alto vacío (UHV). El sistema está fabricado en acero inoxidable con soldaduras mínimas tanto en el espacio de la fuente como de los colectores. El tubo de vuelo también está fabricado en acero inoxidable. El bombeo del sistema de ultra alto vacío se alcanza utilizando una bomba iónica de 40 l/s específicamente diseñada para bombear los gases nobles y una bomba turbomolecular de 70 L/s soportada por una bomba de diafragma de dos etapas.

Los detectores conectados al NGMS son un multiplicador de contaje de iones para masas bajas, y caja de Faraday de voltaje suprimido ampliamente para masas más altas. La caja de Faraday se conecta con un amplificador de ganancia conmutable por software de 1011 y de 1012. El sistema de detección de masas bajas también incorpora un analizador electrostático de 50 mm para análisis de abundancia extrema.

El principal accesorio necesario para el correcto uso del NGMS es el sistema de preparación de doble entrada para gases nobles o sistema de purificación de gases. El sistema de purificación de gases consiste en una línea final de limpieza y dos líneas primarias separadas, para proporcionar una fuente de gases nobles limpios para el análisis (Helio, Neón, Argón, Kriptón y Xenón). Las líneas primarias permiten limpiar el gas de muestra antes de su admisión para la limpieza final en la línea. La línea final de limpieza se utiliza para todas las muestras y gases de referencia antes de su entrada en el espectrómetro de masas. Este diseño permite que se conecten dos sistemas de introducción de muestras al sistema de preparación, por ejemplo un horno y un láser. Con estos dos sistemas de introducción se pueden evacuar de manera independiente utilizando una bomba turbomolecular “seca” y es posible analizar muestras utilizando una entrada mientras la otra se carga/limpia. Esto minimiza el tiempo de parada y aumenta la productividad al máximo.

El sistema de preparación está montado en una bancada. El sistema de preparación usa una nueva tecnología sólida de colector que utiliza colectores de gas sólidos de acero inoxidable para ayudar a reducir el volumen y los fondos del sistema. Las válvulas manuales utilizadas son totalmente de metal, en ángulo recto, con mini conflat. La bancada contiene todos los sistemas electrónicos para controlar el sistema de preparación. Incluye: (i) Controlador de la bomba turbomolecular, (ii) Controlador de la bomba iónica, (iii) Unidad de control para el suministro del calentamiento y Getter (x4) y (iv) Controlador Ion Gauge.

Por último, el NGMS y el sistema de purificación de gases se encuentran controlado a través de un PC equipado con Windows XP Pro o posterior, un ordenador integrado que funciona con un sistema operativo en tiempo real; un software de control del instrumento asociado a cada uno. El PC con Windows XP corre el software del instrumento y es responsable de proporcionar al usuario una interface para y monitorizar las prestaciones del instrumento. El PC integrado es responsable de controlar el instrumento a bajo nivel y mantener la integridad del sistema y el tiempo.

Especificaciones estándar del NGMS:

Analizador de sector magnético con una geometría ampliada de 35cm de radio y 120º con un volumen interno de ~1400 cc. La geometría se ajusta para permitir la captación simultánea de las masas 3 y 4, mientras es también capaz de analizar todos los demás gases nobles mediante salto de picos.

  1. Rango de masas: 1 a 140 unidades de masas a 4.5 kV.
  2. Fondo: igual o mejor que 5 x 10-14 cc STP en masa 36.
  3. Sensibilidad:
  • Helio: mayor de 2 x 10-4 amps/Torr a una corriente de la fuente de <1.2 mA, 4.5 kV.
  • Argon: mayor de 1 x 10-3 amps/Torr a una corriente de la fuente de <1 mA, 4.5 kV.
  1. Resolución: >400 para la resolución del detector de Faraday, y >700 para la resolución del detector multiplicador.
  2. Estabilidad lateral del pico: la deriva será menor que el equivalente de +/- 50ppm en masa sobre 30 min a masa 40.
  3. Relación de aumento: la relación de aumento en la masa 40 será menor de 1×10-12 ccSTP/min de 40Ar.
  4. Sensibilidad en abundancia: <1ppb para las masas adyacentes

Líneas de investigación en las que se utilizará el NGMS:

La aplicación de la geoquímica isotópica de los gases nobles tiene multitud de aplicaciones científicas. Este equipamiento científico proporciona un avance significativo en las investigaciones relacionadas con la exploración de recursos geotérmicos, el estudio de los recursos hídricos subterráneos y la reducción del riesgo volcánico a través de un fortalecimiento de la vigilancia volcanología, entre otros.

El uso de esta instrumentación permitirá la apertura de múltiples nuevas líneas de investigación entre las que se encuentran las siguientes:

  • Estudios de flujo de calor en exploración geotérmica de alta entalpía
  • Investigaciones en recursos hídricos subterráneos mediante geoquímica isotópica de gases nobles
  • Geoquímica isotópica de gases nobles en volcanología

Resultados:

Este proyecto ha permitido que AIET adquiera el segundo espectrómetro de masas de sector magnético para el análisis de la composición isotópica de pequeñas muestras de gases nobles (He, Ne, Ar, Kr y Xe) que en la actualidad existen en España, y el primero de Canarias. Este instrumento multiplica las capacidades de I+D+i en el campo de la exploración geotérmica de AIET, debido a que las relaciones 3He/4He principalmente, pero también otros gases nobles en los gases disueltos en las aguas subterráneas y en las inclusiones fluidas, proporcionan una información crucial para delimitar zonas de flujo de calor procedente de reservorios hidrotermales, principalmente en áreas con volcanismo activo, como es el caso de las Islas Canarias.